Сравнительное исследование транспортных свойств мембран на основе оксида графена, полученных методом Броди и усовершенствованным методом Хаммерса

В работе представлено сравнительное исследование свойств композиционных мембран на основе оксида графена, синтезированного методами Хаммерса (оксид графена H-GO) и Броди (оксид графена B-GO). Методами КР- и РФЭС- спектроскопии в комплексе с измерениями проницаемости мембран по газам и водяным парам при ненулевом перепаде давления показано, что различия в методах синтеза влияют не только на состав и микроструктуру мембран оксида графена, но также на их проницаемость и устойчивость к перепадам давления. Показано, что мембраны на основе H-GO содержат больше кислородных групп (соотношение С/О 1.8) и являются более дефектными, по сравнению с мембранами на основе B-GO (С/О 2.6). Более высокая концентрация кислородных групп в мембранах H-GO позволяет достичь высоких проницаемостей по водяным парам (~170 Баррер при 100% влажности сырьевого потока), однако это сопровождается достаточно низкой устойчивостью при перепадах давления (необратимая потеря проницаемости вплоть до 46% при перепаде давления 1 бар). Напротив, мембраны на основе B-GO, при проницаемости ~140 Баррер, характеризуются необратимой потерей проницаемости всего 4% при том же перепаде давления, что в 10 раз меньше по сравнению с мембранами H-GO. Наблюдаемые различия могут быть следствием разной микроструктуры мембран H-GO и B-GO. Оксид графена, синтезированный методом Хаммерса, обладает более гибкими и дефектными нанолистами, в то время как метод Броди позволяет получить более жесткие нанолисты с меньшим содержанием дефектов. Полученные результаты свидетельствуют, что повысить устойчивость мембран оксида графена к перепадам давления можно за счет контроля состава и микроструктуры в процессе синтеза, без каких-либо модификаций реагентами, устойчивыми к давлению.

1. Kim J.H. Grand Challenges in Membrane Applications—Gas and Vapor. Frontiers in Membrane Science and Technology, 2022, 1.

2. AlenS.K., NamS., DastgheibS.A.RecentAdvancesinGrapheneOxideMembranesforGasSeparationApplications.Int. J. of Molecular Sciences, 2019, 20 (22), 5609.

3. Marcano D.C., Kosynkin D.V., Berlin J.M., Sinitskii A., Sun Z., Slesarev A., Alemany L.B., Lu W., Tour J.M. Improved Synthesis of Graphene Oxide. ACS Nano, 2010, 4 (8), P. 4806–4814.

4. Dreyer D.R., Park S., Bielawski C.W., Ruoff R.S. The chemistry of graphene oxide. Chem. Soc. Rev., 2010, 39 (1), P. 228–240.

5. Wei N., Peng X. Xu Z. Understanding Water Permeation in Graphene Oxide Membranes. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6 (8), P. 5877–5883.

6. Liu L., Zhou Y., Xue J., Wang H. Enhanced antipressure ability through graphene oxide membrane by intercalating g-C3N4 nanosheets for water purification. AIChE J., 2019, 65, (10), e16699.

7. Han Y., Jiang Y., Gao C. High-Flux Graphene Oxide Nanofiltration Membrane Intercalated by Carbon Nanotubes. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7 (15), P. 8147–8155.

8. Tang X., Qu Y., Deng S.-L., Tan Y.-Z., Zhang Q., Liu Q. Fullerene-regulated graphene oxide nanosheet membranes with well-defined laminar nanochannels for precise molecule sieving. J. Mater. Chem. A, 2018, 6 (45), P. 22590–22598.

9. Li W., Zhang Y., Su P., Xu Z., Zhang G., Shen C., Meng Q. Metal–organic framework channelled graphene composite membranes for H2/CO2 separation. J. Mater. Chem. A, 2016, 4 (48), P. 18747–18752.

10. Huang H., Song Z., Wei N., Shi L., Mao Y., Ying Y., Sun L., Xu Z., Peng X. Ultrafast viscous water flow through nanostrand-channelled graphene oxide membranes. Nature Communications, 2013, 4, 2979.

11. Yang R., Fan Y., Yu R., Dai F., Lan J., Wang Z., Chen J., Chen L. Robust reduced graphene oxide membranes with high water permeance enhanced by K+modification. J. of Membrane Science, 2021, 635, 119437.

12. Brodie B.C. XIII. On the atomic weight of graphite. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1859, 149, P. 249–259.

13. Staudenmaier L. Verfahren zur Darstellung der Graphits¨ aure. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, 1898, 31 (2), P. 1481–1487.

14. Hofmann U., K¨onig E. Untersuchungen ¨ uber Graphitoxyd. Zeitschrift f¨ur anorganische und allgemeine Chemie, 1937, 234 (4), P. 311–336.

15. Hummers W.S., Offeman R.E. Preparation of Graphitic Oxide. J. of the American Chemical Society, 1958, 80 (6), 1339.

16. Yoo M.J., Park H.B. Effect of hydrogen peroxide on properties of graphene oxide in Hummers method. Carbon, 2019, 141, P. 515–522.

17. Talyzin A., Mercier G., Klechikov A., Hedenstr¨om M., Johnels D., Wei D., Cotton D., Opitz A., Moons E. Brodie vs Hummers graphite oxides for preparation of multi-layered materials. Carbon, 2017, 115, P. 430–440.

18. Ibrahim A.F.M., Banihashemi F., Lin Y.S. Graphene oxide membranes with narrow inter-sheet galleries for enhanced hydrogen separation. Chem ical Communications, 2019, 55 (21), P. 3077–3080.

19. Pedrosa M., Da Silva E.S., Pastrana-Mart´ ınez L.M., Drazic G., Falaras P., Faria J.L., Figueiredo J.L., Silva A.M.T. Hummers’ and Brodie’s graphene oxides as photocatalysts for phenol degradation. J. of Colloid and Interface Science, 2020, 567, P. 243–255.

20. Eckmann A., Felten A., Mishchenko A., Britnell L., Krupke R., Novoselov K.S., Casiraghi C. Probing the Nature of Defects in Graphene by Raman Spectroscopy. Nano Letters, 2012, 12 (8), P. 3925–3930.

21. King A.A.K., Davies B.R., Noorbehesht N., Newman P., Church T.L., Harris A.T., Razal J.M., Minett A.I. A New Raman Metric for the Charac terisation of Graphene oxide and its Derivatives. Scientific Reports, 2016, 6, 19491.

22. Chernova E.A., Petukhov D.I., Chumakov A.P., Kirianova A.V., Sadilov I.S., Kapitanova O.O., Boytsova O.V., Valeev R.G., Roth S.V., Eliseev Ar., Eliseev An. The role of oxidation level in mass-transport properties and dehumidification performance of graphene oxide membranes. Carbon, 2021, 183, P. 404–414.

23. Zhu Y., Murali S., Cai W., Li X., Suk J.W., Potts J.R., Ruoff R.S. Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications. Advanced Materials, 2010, 22 (35), P. 3906–3924.

24. Reinecke S.A., Sleep B.E. Knudsen diffusion, gas permeability, and water content in an unconsolidated porous medium. Water Resources Research, 2002, 38 (12), P. 15–16.

25. Do D.D. Adsorption Analysis: Equilibria and Kinetics. In: Series on Chemical Engineering. Imperial College Press 1998, P. 892.

26. Nair R.R., Wu H.A., Jayaram P.N., Grigorieva I.V., Geim A.K. Unimpeded Permeation of Water Through Helium-Leak–Tight Graphene-Based Membranes. Science, 2012, 335 (6067), P. 442–444.

27. Chong J.Y., Wang B., Li K. Water transport through graphene oxide membranes: the roles of driving forces. Chemical Communications, 2018, 54 (20), P. 2554–2557.

28. Zhang Z., Xiao X., Zhou Y., Huang L., Wang Y., Rong Q., Han Z., Qu H., Zhu Z., Xu S., Tang J., Chen J. Bioinspired Graphene Oxide Membranes with pH-Responsive Nanochannels for High-Performance Nanofiltration. ACS Nano, 2021, 15 (8), P. 13178–13187.

29. Li Y., Zhao W., Weyland M., Yuan S., Xia Y., Liu H., Jian M., Yang J., Easton C.D., Selomulya C., Zhang X. Thermally Reduced Nanoporous Graphene Oxide Membrane for Desalination. Environmental Science & Technology, 2019, 53 (14), P. 8314–8323.

30. Wang Z., Ma C., Xu C., Sinquefield S.A., Shofner M.L., Nair S. Graphene oxide nanofiltration membranes for desalination under realistic condi tions. Nature Sustainability, 2021, 4 (5), P. 402–408.